Projektanslag

De går till roten med växtcellernas form

Cellerna är de minsta och viktigaste byggstenarna för alla levande organismer, från bakterier till människor. Det som är avgörande för att organismen växer och utvecklas i rätt riktning har visat sig vara cellens form. Men förståelsen för hur cellers formförändring går till är fortfarande oklar.

– Cellernas form är till exempel viktigt för att trädens celler ska kunna bilda ved och för att cellerna på rötternas ytskikt ska kunna bilda det hår som används för att ta upp vatten och mineraler från jorden, förklarar Markus Grebe, professor i växters utvecklings- och cellbiologi, Umeå universitet.

När cellerna kommer till det stadium att de specialiserar sig på att utföra vissa uppgifter exempelvis hudceller som bygger upp huden, eller hårceller eller någon annan celltyp så får de också en speciell form.

– De flesta celler ser olika ut beroende på vad de ska göra. Vårt projekt syftar till att förstå hur de ändrar form på olika nivåer. De handlar om systembiologisk grundforskning.

Det är viktigt att förstå hur celler får sin form och hur de är placerade bredvid varandra. Felaktigheter kan skada organismens tillväxt och utveckling och leda till en för tidig död, missbildning av organ eller till utveckling av cancer.

Projektet är inriktat på växtforskning men eftersom växtforskare ofta funnit gener som blivit intressanta även inom human grundforskning så kan resultaten även komma att få betydelse för medicinsk forskning.

Tidig upptäckt

Cellskelettet är mycket viktigt för cellens funktion och rörelse. Innan projektet startade hittade forskarna ett protein som koordinerar cellskelettets organisation.

– Detta protein har inte bara betydelse för den enskilda cellen utan för hela systemet, för hur cellskelettet och cellerna koordinerar sig.

– Den upptäckten tillsammans med det protein som Rishi Bhalerao och jag var de första att beskriva 2011 gör att vi har kunskap om två nya proteiner att bygga vidare på.

Det andra proteinet som då upptäcktes spelar en stor roll i cellens förmåga att sträcka ut sig genom att det transporterar byggmaterial till cellväggen som gör det möjligt för cellerna att expandera.

Viktigt hormon

Markus Grebes huvudområde är just hur cellerna sträcker ut sig och koordinerar sig samt hur växtens celler kan skapa skillnader mellan olika ändar av cellen i en process som kallas cellpolarisering. Detta är en mycket viktig och grundläggande process för alla levande organismer även människor. Hos växter är den nödvändig för att rötter ska växa ner i jorden.

Grebe har i sin tidigare forskning visat att växthormonet auxin påverkar cellernas form. Genom projektet, som stöds av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, ska han med hjälp av växtforskare från Umeå universitet och Sveriges lantbruksuniversitet samt matematiker och fysiker i Lund och Linköping ta reda på hur det går till på molekylär nivå.

– Vi vet att hormonet auxin triggar formförändringar men inte exakt hur det går till, konstaterar Markus Grebe.

Genom att mutera olika gener i rötterna hos modellväxten backtrav, Arabidopsis thaliana, eller genom att använda specifika kemikalier som blockerar cellernas signalering kan forskarna se vilka formförändringar det leder till i växtens celler.

Rötternas hår i fokus

Centralt i projektet är cellens sträckning, signaleringsposition och förmåga att placera hår.

– De små hår som utvecklas är viktiga för att växten ska kunna ta upp näring och vatten. Vi observerade att det signaleringsprotein som producerar håren ändrar position från cellens botten till ett läge där håret kommer att växa ut. Signaleringsproteinets läge är också mycket känsligt för kemikalier som i sin tur påverkar cellskelettet och viktiga
signalvägar, berättar Grebe.

Stephanie Robert en av forskarna i projektet, utvecklar metoder och söker systematiskt efter nya kemikalier som orsakar formförändringar.

Med hjälp av en jonpump som forskaren Magnus Berggren utvecklat i Linköping, kan forskarna påverka enstaka celler genom att tillsätta hormonet auxin eller någon av de kemikalier som Robert hittat på det ställe de vill.

– Håren är programmerade att växa ut på ett ställe genom ett protein som styr både form och riktning. Vi vet att hormonet auxin spelar en roll för samordningen men vi vet inte hur. När vi har delat roten i tre delar och mätt hormonnivåerna har vi sett att de är höga i rotens spets men lägre ju längre från spetsen man kommer. Vi vill ta reda på hur hormonets koncentration bestämmer var i cellen håret ska sitta.

Det mesta av hormonet finns i rotspetsen. Men forskarna har gjort en mutant där hormonkoncentrationen är lika låg i hela roten.

– Det visade sig då att cellerna inte sträckte ut sig på samma sätt och att hår växte ut både under och ovanför där håren normalt växer ut. Genom att tillsätta en konstgjord hormonkälla kunde håren återigen växa ut i sin normala position mot den högsta hormonkoncentrationen. Det bevisar att hormonet styr hårets riktning och att koncentrationen avgör var det ska växa ut, konstaterar Grebe.

Specialmikroskop

Forskarna har stora förhoppningar om att ett specialtillverkat mikroskop ska hjälpa dem vidare.

– Det är ett horisontalt mikroskop där vi kan se hur rötterna växer neråt och följa vad som sker när vi applicerar hormonet eller signaleringshämmande kemikalier.

Markus Grebe är väldigt nöjd med forskargruppens samansättning.

– Vi har hög kompetens i hela kedjan. Förutom de redan nämnda ingår Karin Ljung som är en av världen främsta experter på att mäta hormonet auxin i små mängder, och Henrik Jönsson som är framstående inom datormodellering av hormon- och cytoskelett- reglerade formförändringar hos växtceller och växtorgan.

Text Carina Dahlberg
Bild Magnus Bergström